波譜分析本科精美

1、練習(xí)1：練習(xí)2：第一章第一章 核磁共振基本原理核磁共振基本原理 歷史與進(jìn)展簡介 基本概念1 . 21 . 41 . 61 . 82 . 02 . 22 . 4p p mppm1.01.21.41.61.82.02.22.4ppm1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.22.32.42.52.6第一節(jié) 核磁共振原理簡介b0yxz第一節(jié) 核磁共振原理簡介核磁共振或簡稱nmrnmr是一種用來研究物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及物理特性的譜學(xué)方法.它是眾多譜學(xué)分析法中的一員. 其它的分析方法: 電子自旋共振 (esr/epresr/epr) 紅外光譜學(xué) (irir) 質(zhì)譜學(xué) (ms

2、ms) 色譜學(xué) (lc/gc/hplclc/gc/hplc) x-ray (scd/xrf/xrdscd/xrf/xrd)核磁共振成像 或稱mrimri 已經(jīng)頻繁的使用在醫(yī)院的疾病的診斷中.第一節(jié) 核磁共振原理簡介核磁共振研究的材料稱為樣品. 樣品可以處于液態(tài),固態(tài). 眾所周知,宏觀物質(zhì)是由大量的微觀原子或由大量原子構(gòu)成的分子組成 (一滴水大約由1022分子組成), 原子又是由質(zhì)子與中子構(gòu)成的原子核及核外電子組成.核磁共振研究的對象是原子核.hchhmm (10-6m)mnm (10-9m)a (10-10m)第一節(jié) 核磁共振原理簡介 nmr, nuclear magnetic resonan

3、ce, is a phenomenon which occurs when the nuclei of certain atoms are immersed in a static magnetic field and exposed to a second oscillating magnetic field. 核磁共振 是指核磁矩不為零的核，在外磁場的作用下，核自旋能級發(fā)生塞曼分裂(zeeman splitting），共振吸收某一特定頻率的射頻（radio frequency, rf）輻射的物理過程。第一節(jié) 核磁共振原理簡介1.1 基本概念 原子核的自旋角動量和磁距 由質(zhì)子和中子構(gòu)成的原子

4、核, 像電子一樣也有自旋運(yùn)動, 這些微觀粒子有和宏觀球體類似的性質(zhì): 自旋運(yùn)動必產(chǎn)生角動量。 根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核的自旋角動量（p)為： i：原子核的自旋量子數(shù) h: 普郎克常數(shù)) 1(2) 1(iihiip1.1 基本概念 p 是空間量子化的, 它在直角坐標(biāo)系z軸上的投影(pz)可以表示: mpz m 稱為磁量子數(shù), m有2i+1個可能取值，即 - i, -i + 1, , i -1，i, 對于自旋量子數(shù)為i的原子核, pz共有(2i+1) 個數(shù)值, 即p 在z軸上的分量是空間量子化。1.1 基本概念 m 磁量子數(shù)可取的最大數(shù)為+i， 代入 后得到角動量可觀察的最大分量 （pm）應(yīng)為：

5、i值是表征原子核性質(zhì)的一個重要的物理量，它不僅決定原子核有無自旋角動量，而且還決定原子核的電荷分布，nmr特性以及原子核在外磁場中能級分裂的數(shù)目。mpz)(.ipipm1.1 基本概念 i 的數(shù)值如下：1）i = 0，當(dāng)中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)；如：12c、16o 2）i = 半整數(shù)，當(dāng)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)一為奇數(shù)，一為偶數(shù)如： i = 1/2：1h、13c、15n、19f、31p i = 3/2：23na、35cl、39k i = 5/2：17o、25mg 3） i = 整數(shù)，當(dāng)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)均為奇數(shù)，如2h、14n 自旋為1/2的核，其電荷呈球形分布，它們都具有磁各向同性的性質(zhì)。1.1 基本概念m

6、ppzzmm原子核可近似地看成表面分布有電荷的球體，當(dāng)它繞軸自轉(zhuǎn)時，便會產(chǎn)生一個循環(huán)電流。像線圈通電產(chǎn)生磁場一樣，原子核的循環(huán)電流也產(chǎn)生一個磁場。原子核磁矩與自旋角動量之間存在如下關(guān)系：為磁旋比(magnetogyric ratio)或 旋磁比(gyromagnetic ratio) m 也是量子化的， 是磁核重要的物理量之一。 mpz1.2 核磁共振現(xiàn)象(1) 在靜電場中原子核的進(jìn)動及能量 在重力場中一個快速旋轉(zhuǎn)的陀螺盡管旋轉(zhuǎn)軸偏離鉛直軸, 但并不倒下, 其旋轉(zhuǎn)軸卻繞鉛直軸方鉛方向以較低的角速度轉(zhuǎn)動. 同樣, 自旋的原子核放在靜止的外磁場(h0)中, 對核磁距有一個作用力, 致使核磁距圍繞外

7、磁場(h0)有類似于陀螺一樣的進(jìn)動. (1) 在靜電場中原子核的進(jìn)動及能量-在磁場中, 自旋核可能有(2i + 1) 取向, 從 -i 到 i (-i, -i+1, -i+2, i)-i為1/2 的核，在磁場中應(yīng)有兩種狀態(tài), 即a (m = - 1/2) and b (m = + 1/2)(1) 在靜電場中原子核的進(jìn)動及能量 設(shè)h0的方向與z軸的方向重合, m與h0的夾角為 ,則 與h0的相互作用的能量為: 00coshhezmmmpz0hmempzzm(1) 在靜電場中原子核的進(jìn)動及能量 由于m有(2i+1)個值, 原子核在外磁場中應(yīng)有(2i+1)個能級, 即在靜止磁場中原子核的能量是量子化

8、的. 若為i=1/2的核, 當(dāng)m=+1/2時, m (mz)與h0的取向相同, e值為負(fù),原子核處于低能態(tài)(e1); 當(dāng)m=-1/2時, m (mz)與h0的取向相反, e值為正, 原子核處于高能態(tài)(e2), 原子核吸收或放出能量時,就在能級間發(fā)生躍遷, 躍遷所遵守的選律為 也就是說, 原子核只在相鄰的能級間發(fā)生躍遷, 兩能級間差為:0012hhmeee1m(2) 核磁共振條件 在外磁場(h0)條件下, 原子核的磁距(m)繞h0進(jìn)動的頻率 (0)為: 0 = h0=20 上式稱為拉莫(larmor)方程, 0為拉莫頻率對同一周期運(yùn)動體系施加一周期變化的外力,若要使運(yùn)動體系有效地從外界吸收能量,

9、必須是運(yùn)動體系的頻率與外力的變化的頻率相同, 這就是所謂的”共振條件”。同理，對于核磁距而言，若用頻率為 的射頻輻射去照射在h0 中進(jìn)動的磁核，只有 等于磁核的larmor 頻率(0)時，原子核才能有效地吸收射頻輻射的能量，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，實現(xiàn)核磁共振。0he（3） 原子核磁能級上的粒子分布 把樣品放入h0中，原子核的能級分裂為（2i+1）個，對于諸如proton 等自旋量子數(shù)為i=1/2的核，分裂成高低兩個能級。由于h0與磁核的相互作用，核磁距（m ）與h0的方向趨于平行，促使磁核優(yōu)先分布在低能級上，但高低能級間差別很小，磁核在熱運(yùn)動影響下，仍有機(jī)會從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷，整個體系處于高

10、低能級間的動態(tài)平衡之中。在通常情況下，平衡狀態(tài)個能級上的粒子數(shù)分布遵從波茲曼（botzman)規(guī)律分布， 即：（3） 原子核磁能級上的粒子分布kteenn12n2: 高能態(tài)的粒子數(shù)； n1:低能態(tài)的粒子數(shù)e: 能量差， k：botzman常數(shù)，t：絕對溫度；由于e很小， e kt,ktenn112（3） 原子核磁能級上的粒子分布ktenn1120hekthnn0121kthnnn01211（3） 原子核磁能級上的粒子分布 對于proton 而言，t=300k, h0=1.47tesla 差額很小: 靈敏度低 意義重大, 產(chǎn)生nmr法 如果在垂直于h方向上加入一個射頻場, 當(dāng)射頻場的 頻率與原子核的拉莫爾頻率相等時( = h )處于低能態(tài)的e1的核吸收射頻能躍遷到高能態(tài)。這一現(xiàn)象稱之為核磁共振現(xiàn)象。5101121nn